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Technisches Gebiet und Stand der Technik
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Die Fortentwicklung neuer Materialbearbeitungs-, -verbindungs- oder -aufbauverfahren wie Laserschneiden und -schweißen, Hochgeschwindigkeitsfräsen, Rapid Prototyping oder von Nachbearbeitungsverfahren beispielsweise Härten, Beschichten oder Polieren haben zu einer wachsenden Anzahl von Werkzeugmaschinen mit hohen Bewegungsgeschwindigkeiten ihrer Werkzeug- oder Werkstück tragenden Elemente geführt. Auch bei Messmaschinen werden hohe Geschwindigkeiten angestrebt.
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Werkzeuge und Messeinrichtungen werden im weiteren als Endeffektoren bezeichnet. Bewegungsvorrichtungen einer Mess- oder Werkzeugmaschine, die jeweils eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Endeffektors relativ zu einem Werkstück in einer Achse eines Referenzkoordinatensystems des Arbeitsraumes der Maschine erlauben, werden im weiteren als Achsen bezeichnet. Als Maschinenachsen werden solche Teilbewegungsvorrichtungen bezeichnet, die eine translatorische oder rotatorische Bewegung eines Maschinenelementes gegenüber einem in der Hierachie der Gesamtstruktur der Maschine höher stehenden Maschinenelement erlauben, wobei die Hierachie beim Maschinengestell als höchste Stufe beginnt und bei den Maschinenachsen zur direkten Bewegung eines Endeffektors als niedrigste Stufe endet.
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Achsen und Maschinenachsen können identisch sein, aber es können auch Achsbewegungen, in Bezug zum besagten Referenzkoordinatensystem, aus den Bewegungen mehrerer Maschinenachsen zusammengesetzt sein.
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Damit die hohen angestrebten Geschwindigkeiten auch bei kompliziert gestalteten Werkstücken genutzt werden können, sind hohe Beschleunigungen der bewegten Elemente notwendig.
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In vielen Anwendungen ist es notwendig einen Endeffektor kontinuierlich und mit möglichst hoher konstanter Relativgeschwindigkeit, an einem mindestens teilweise kompliziert geformten Werkstück entlang zu führen, das relativ zum besagten Endeffektor eine wesentlich höhere Masse und/oder wesentlich größere Abmessungen hat. Dies setzt eine relativ massive und/oder langwegige Führungsstruktur voraus.
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Je massiver die bewegten Elemente sind, umso höher sind die Kräfte die einerseits notwendig sind um die erwünschten hohen Beschleunigungen zu erzielen und die anderseits entsprechende Rückwirkungen auf tragende oder führende Strukturen verursachen.
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Dies führt zu unerwünschten, meist elastischen, Verformungen dieser Strukturen, was wiederum häufig zu Schwingungen auf den Resonanzfrequenzen aller beteiligten Maschinenelemente führt. All diese Verformungen und Schwingungen führen zur Abweichung zwischen Soll- und Ist-Weg bei der Bewegung eines Endeffektors relativ zum Werkstück.
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Es sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dieses Problem zu mindern. Ein Ansatz, mit dem sich die hier vorliegende Patentanmeldung befasst, versucht die Bewegungsabweichungen von vornherein klein zu halten.
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Dies ist unter anderem möglich durch 1. Stabilität, 2. Reduktion der bewegten Massen und 3. Impulsausgleich.
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Fehlervermeidung durch Rigidität der Strukturen und Dämpfung von Schwingungen führt zu massiven Maschinen, die hohe Antriebskräfte benötigen, was somit hohe Anschaffungs- und Aufstellungskosten, hohen Energieverbrauch und in vielen Fallen auch hohen Verschleiß bedeutet, also zu hohen Anschaffungs- und Betriebskosten führt. Diese Kosten übersteigen bei den angestrebten Beschleunigungen häufig den erzielbaren Produktivitätsvorteil.
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Zur Fehlervermeidung durch Reduktion der bewegten Massen sind ebenfalls eine ganze Reihe von Lösungsansätzen bekannt.
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Neben der Verwendung neuartiger Werkstoffe, beispielsweise Kohlefaserverbundstoffe, kommt es auch zum Einsatz alternativer Achskonfigurationen.
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Eine besonders leistungsfähige Gruppe von Achskonfigurationen, enthalten als wesentliches Merkmal in ihren Hauptbewegungsrichtungen sogenannte ”redundante Achsen”.
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Als ein frühes Beispiel hierfür lehrt
EP 594699 B1 die parallel überlagerte (redundante) Bewegung von längeren Basisachsen und kürzeren Zusatzachsen, wobei die Zusatzachsen durch ihre kleineren Wege und Spannweiten sehr viel kleiner bauen und damit leichter sind, also mit weniger Kraft zu beschleunigen.
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Dies führt, je nach Abwägung, eher zu höheren Beschleunigungen bei gleichen Kräften, oder geringeren Rückwirkungen bei gleichen Beschleunigungen, so dass sowohl Genauigkeit, als auch Geschwindigkeit hiervon profitieren können.
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Weitere wichtige Entwicklungsschritte in dieser Richtung sind durch
EP 1 294 544 B1 und
EP 1 724 054 B1 erzielt worden, indem zunächst eine besondere orthogonal-parallelkinematische Zusatzachsenkonfiguration gelehrt wurde, die zu dem zusätzlichen Vorteil führt, dass in beiden Hauptbewegungsrichtungen einer derart realisierten Maschine insoweit vergleichbar günstige kinematische Verhältnisse herrschen, und mittels der in
EP 1 724 054 B1 veröffentlichten Lehre wird dargestellt wie eine derartige Zusatzachseneinheit mittel Impulsausgleich nochmals um eine Größenordnung an Präzision bei zugleich extrem hoher Beschleunigung gewinnen kann.
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Jener Stand der Technik wurde sowohl bezüglich der erzielbaren Beschleunigungen und Genauigkeiten als auch bezüglich seiner vielseitigeren Anwendbarkeit, durch die in den internationalen Patentanmeldung
WO 2011/023185 A1 veröffentlichte Lehre nochmals wesentlich verbessert und
WO 2011/023186 A1 fügte dem Stand der Technik bezüglich derartiger Achsenkonfigurationen noch die Option hinzu, Reaktionskräfte aus hohen Beschleunigungen mittels der Methode der Impulsentkopplung zu kompensieren.
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Weiterhin ist ein besonders wirtschaftlich zu realisierendes und flexibles Maschinenkonzept das, erstmals für eine großflächige Bearbeitung von Flachmaterialien, teilweise auf rotorisch bewegbare Basisachsen aufbaut, aus der
DE 10 2011 119 211 A1 bekannt. Bevorzugte Ausführungsformen jener Erfindung zeigen als neue Nutzungsmöglichkeit eines schwenkbaren Auslegers unter anderem eine neue Ausführungsform der Impulsentkopplung. Für einen wesentlichen Teil von Anwendungen, die eine Bearbeitung von Flachmaterial vorsehen, dürfte dies ein bevorzugtes Maschinenkonzept darstellen. Jedoch sind auch Anwendungssituationen darstellbar, in denen mögliche Drehbewegungen von Zusatzachsen mittels schwenkbaren Auslegern eher nachteilhaft sind, beispielsweise wenn eine eher schmale und langgestreckte Bauweise einer Bearbeitungsmaschine- oder Gesamtanlage vorgesehen ist oder ein Verfahren oder Maschinenkonzept mit rein tranlatorisch wirksamen Basisachsen in den jeweiligen Anwendungen Vorteile bietet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, Vorteile bekannter Konzepte von Bearbeitungsmaschinen mit schwenkbarem Ausleger auch für Maschinenkonzepte mit rein translatorisch bewegbaren Ausleger, als Träger von Zusatzachsen, zu erzielen.
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Beschreibung der Erfindung
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Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist als Teil einer Werkzeugmaschine eine Bewegungseinrichtung mit translatorischer Bewegung einer redundant wirksamen Zusatzachseneinheit an einem Ausleger vorgesehen, bei der ein Endeffektor direkt oder mittels eines Werkzeugträgers durch besagte Zusatzachseneinheit, mit relativ hoher Beschleunigung über kurze Distanzen hinweg, mindestens in einer Richtung parallel zur jeweiligen Bearbeitungsfläche bewegbar ist und besagte Zusatzachseneinheit wiederum mittels weitreichenderer Basisachsen, mit relativ geringer Beschleunigung über einen oder mehrere Arbeitsbereiche einer Werkzeugmaschine hinweg bewegbar ist, indem besagter Ausleger entlang besagter Arbeitsbereiche mittels einer entsprechenden Bewegungsvorrichtung translatorisch verschiebbar ist, und/oder besagte Arbeitsbereiche mittels entsprechender Bewegungsvorrichtungen entlang besagtem Ausleger verschiebbar sind.
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Erfindungsgemäß besteht besagter Ausleger aus einer Mehrzahl längst des Auslegers zueinander verschiebbarer Elemente, derart dass dessen erstes Element als besagte Basisachse bewegbar ist und an dem jeweils letzten Element, längst des Auslegers, besagte Zusatzachseneinheit translatorisch bewegbar ist. Ein solcher Ausleger könnte beispielsweise in der Art eines ausziehbaren Teleskoparms ausgeführt sein, aus einer Mehrzahl, zur besagten Zusatzachseneinheit hin, in Volumen und Masse abgestuften Einzelelementen.
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Eine bevorzuge Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine impulsentkoppelte Bewegung besagter Zusatzachseneinheit entlang des besagten Auslegers vorgesehen ist.
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Dies kann insbesondere in zwei Varianten ausgeführt sein:
- 1. Der Ausleger ist in seiner Lagerung entweder zur Führung entlang besagter Arbeitsbereiche oder an einem festen Punkt, wenn besagte Arbeitsbereiche relativ zu besagtem Ausleger bewegbar sind, zusätzlich entlang seiner Längsachse verschiebbar. Bei der Beschleunigung besagter Zusatzachseneinheit entlang des Auslegers, durch einen beliebigen Antrieb der zwischen Zusatzachseneinheit und Ausleger wirksam ist, kann die Reaktionskraft aus der Beschleunigung der Zusatzachseneinheit durch eine entgegengesetzte Bewegung des Auslegers, mindestens teilweise aufgenommen werden, was schädliche Anregungsimpulse der tragenden Strukturen wirksam mindert. Dabei ist, insbesondere je nach Masseverhältnis zwischen Ausleger und daran bewegbarer Zusatzachseneinheit und den sich daraus ergebenden Bewegungsspielraum des Auslegers, bei eher kleinem translatorischem Bewegungsspielraum des Auslegers eine Kombination aus Federmittel und Dämpfung oder, bei eher längerem Bewegungsspielraum ein entsprechender Antrieb zwischen Aufhängung und Ausleger vorgesehen, der die Aufgabe des Federmittels und der Dämpfung übernimmt, den Bewegungsspielraum des Auslegers und den Aufbau von unerwünschter Bewegungsenergie im System zu begrenzen.
- 2. Der Teil des Auslegers, an dem besagte Zusatzachseneinheit geführt und bewegt wird, dient zugleich als verschiebbare Ausgleichsmasse zur Aufnahme und Kompensation von Reaktionskräften aus hochbeschleunigten Bewegungen der Zusatzachseneinheit, weil dies den Aufbau einer stabilen und präzisen Führung des besagten Auslegers in allen seinen Bewegungsachsen wesentlich vereinfacht.
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Bezüglich der Auslegung und dem Zusammenspiel mit den transversal zur Längsrichtung des Auslegers bewegbaren Zusatzachsen, kann hier grundsätzlich die technische Lehre aus dem vorbekannten Dokument
WO 2011/023186 A2 genutzt werden. Jedoch ergibt sich erfindungsgemäß darüber hinaus eine flexibel an die anwendungsspezifischen Gegebenheiten anpassbare Geometrie des besagten Auslegers, was sowohl eine verbesserte Ausnutzung der technischen Leistungsfähigkeit der Impulsentkopplung in einer Konfiguration mit einem translatorisch bewegbaren Ausleger ermöglicht, als auch den Transport und die Aufstellung einer erfindungsgemäßen Maschine vereinfacht sowie die Zugänglichkeit besagter Arbeitsbereiche verbessert.
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Bei der Lagerung und Führung eines erfindungsgemäßen Auslegers, ist eine möglichst spielarme und biegesteife Gesamtkonfiguration anzustreben, wobei bezüglich der Steifigkeit jedoch die Anforderungen, wegen des Einsatzes besagter Zusatzachsen, nicht besonders hoch sind, und sogar niedrige Resonanzfrequenzen des Auslegers bevorzugt sein können, wenn ein Ausgleich der aus der Beschleunigung der Basisachsen entstehenden temporären Verformungen durch Bewegungen der Zusatzachsen kompensiert werden kann, neben ihrer eigentlichen Funktion der hochbeschleunigten Eigenbewegung.
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Die translatorische Bewegung des Auslegers entlang besagter Arbeitsbereiche wird gewöhnlich mittels eines konventionellen Antriebs erfolgen, wie aus dem Stand der Technik in einer Vielzahl von Varianten bekannt.
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Besagte Zusatzachseneinheit enthält erfindungsgemäß mindestens eine Achse beliebiger Bauart mit der besagter Endeffektor oder Werkzeugträger in einem ausreichenden Bewegungsspielraum bewegbar ist, vorzugsweise so, dass passend zur Beschleunigungsmöglichkeit der gesamten besagten Zusatzachseneinheit mittels besagtem translatorisch bewegbaren Ausleger entlang besagter Arbeitsbereiche, mindestens anwendungsspezifisch und für kontinuierliche Bewegungen, durch synchrone Kombination der Bewegung des besagten Auslegers als Basisachse und besagter mindestens einen Zusatzachse, das Beschleunigungspotential der jeweiligen Zusatzachse maßgeblich ist.
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Entsprechend gilt dies vorzugsweise auch für die Bewegungsanteile einer erfindungsgemäß impulsentkoppelten Zusatzachseneinheit entlang des besagten Auslegers, wobei sich eine überlagerte Bewegung aus den zueinander verschiebbaren Teilen des besagten Auslegers als Basisachse und der Zusatzachseneinheit insgesamt als sinngemäßer Zusatzachse entlang des Auslegers ergibt, wie dies für eine ähnliche Achskonfiguration aus Dokument
WO 2011/023186 A2 bekannt ist.
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Was für die Beschleunigung gilt, ist entsprechend selbstverständlich auch für die Veränderung der Beschleunigung über die Zeit, den sogenannten Ruck, gültig, beispielsweise bedingt durch Induktivitäten in elektrischen Antrieben oder mechanische Schwingungsneigung, soweit durch die jeweilige Ruckbegrenzung einer Basis- oder Zusatzachse eine relevante Verminderung der jeweiligen effektiven Beschleunigung eintritt.
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Der Bewegungsspielraum der Zusatzachsen muss hierzu ausreichend lang gewählt sein, um zu vermeiden, dass eine Zusatzachse während einer Beschleunigungsphase in eine Endlage gerät, bevor die Basisachse, hier insbesondere besagter Ausleger, schon die angestrebte Bewegungsgeschwindigkeit erzielt hat.
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Hierfür zu beachtende Regeln und Möglichkeiten lassen sich beispielsweise entsprechend aus der Lehre der internationalen Patentanmeldungen
WO 2008/148558 A1 ,
WO 2008/151810 A1 ,
WO 2009/000466 A2 und
WO 2009/027006 A1 ableiten.
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Besagte Zusatzachsen sollten einen, gegenüber der sie jeweils tragenden Struktur, von den Bewegungen des besagten Endeffektors oder Werkzeugträgers weitgehend unabhängigen Schwerpunkt und weitgehende Freiheit von entsprechenden Reaktionskräften gegenüber den jeweils tragenden Strukturen aufweisen, beispielsweise indem in besagter mindestens einen Zusatzachse innerhalb der Zusatzachseneinheit ein Impulsausgleich vorgesehen ist.
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Vorzugsweise ist eine Bewegbarkeit des Auslegers in der Distanz (Höhe) gegenüber den Bearbeitungsflächen besagter Arbeitsbereiche vorgesehen.
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Hierdurch kann bei den Zusatzachseinheiten einer erfindungsgemäßen Achskonfiguration auf eine langwegige (einige Zentimeter bis Dezimeter) und somit sehr aufwendige und massereiche Höhenbewegbarkeit des Endeffektors verzichtet werden und es ergeben sich auf besonders einfache und oder effiziente Weise zugleich neue Möglichkeiten, den Ausleger neben der primären Bearbeitungsaufgabe auch für andere Funktionen zu nutzen, wie der Möglichkeit am Ausleger Hebezeuge zur Handhabung von Roh-, Fertig- und Restmaterialien vorzusehen.
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Besagte Arbeitsbereiche können aus einer oder einer Mehrzahl von Auflageflächen für vorzugsweise plattenförmigem Material bestehen, an denen besagter Ausleger entlang bewegbar ist, wobei Auflageflächen sowohl zur Bearbeitung und/oder zur (Zwischen)Lagerung von Roh- und Fertigteilen nutzbar sein können.
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Dies ist insbesondere bei einer Ausführung der Erfindung von Bedeutung, die eine variable Funktion des besagten Auslegers, sowohl als Träger des Bearbeitungswerkzeuges, wie auch als Träger von Vorrichtungen zur Bewegung von Roh- und Fertigteilen zwischen besagten Auflageflächen vorsieht. Auch ist sehr kostensparend Bearbeitung auf mehreren Auflageflächen im Wechsel möglich, so dass ein manuelles Be- und Entladen besagter Auflageflächen problemlos hauptzeitparallel stattfinden kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens eine, vorzugsweise mehrere unterschiedliche, entsprechende Be- und Endladevorrichtungen auf hierfür vorgesehenen Parkpositionen während der Materialbearbeitung abgestellt sind und bei Bedarf am Ausleger, vorzugsweise durch entsprechende Kommandos einer zur besagten Bearbeitung genutzten numerischen Steuerung, mit dem Ausleger gekoppelt und, entsprechend ihrer jeweiligen Funktion, bewegt und genutzt werden können. Soweit notwendig, werden bei der Kopplung auch benötigte, beispielsweise elektrische und pneumatische, Verbindungen zu besagten Be- und Endladevorrichtungen vorgesehen.
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Zur Realisierung der mechanischen Kopplung und für mechanische Funktionen können erfindungsgemäß auch entsprechend angepasste oder erweitert bewegbare Elemente eines besagten Auslegers oder besagten Zusatzachsen genutzt werden.
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Derart kann, bedingt durch die erfindungsgemäße Achskonfiguration, sehr kostengünstig eine Automatisierung der Be- und Entladung von- und zu verschiedenen besagten Auflageflächen realisiert werden, beispielsweise für einen mannlosen Nachtbetrieb.
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Bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Achskonfiguration ist jedoch zu beachten, dass die Belastung durch derartige Zusatzfunktionen nicht zu Beschädigungen oder einem übermäßig erhöhten Verschleiß führt. Eine Automatisierung durch Bewegungselemente einer erfindungsgemäßen Einrichtung eignet sich daher vorzugsweise eher für relativ leichte und/oder kleinere Materialien.
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Besonders Auflageflächen die zur Bearbeitung genutzt werden, sollten möglichst mit entsprechenden Vorrichtungen zur Entfernung von Rest- und Schadstoffen des jeweiligen Fertigungsprozesses ausgestattet sein und mit Sicherheitseinrichtungen zur Vermeidung von Unfällen.
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Anstelle besagter Auflageflächen können auch durch besagte numerische Steuerung in ihrer Bewegung steuerbare Spanneinrichtungen für drehbare Profile, wie beispielsweise rohrförmige Werkstücke, vorgesehen sein, vorzugsweise derart, dass die Längsachse besagter rohrformiger Werkstücke während ihrer Bearbeitung parallel zur jeweiligen Stellung des besagten Auslegers oder orthogonal hierzu ausgerichtet sind. Dies ermöglicht unter anderem den Betrieb mit einer relativ einfachen Steuerung.
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Neben der schon erwähnten Möglichkeit während der Bewegungsabläufe entstehende dynamische Abweichungen vom Sollweg des Auslegers, durch entsprechende Bewegungen der Zusatzachsen auszugleichen, kann zum Beispiel eine elastische Durchbiegung von Strukturen durch eine allmähliche Bewegung von größeren Massen recht gut tabellarisch über eine Steuerung kompensiert werden, die beispielsweise die Referenzdaten mit Hilfe eines maschinenunabhängigen Messsystems und entsprechenden Messfahrten erzeugt.
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Schwingungen auf unterschiedlichen, möglicherweise geschwindigkeitsabhängigen Frequenzen, machen im Gegensatz dazu jede hochgenaue Steuerung bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten, insbesondere die dann unvermeidliche Regelung bei einem entsprechend hohen Regeltakt, der selbst nahe oder sogar im Frequenzbereich der auftretenden Störungen liegt, praktisch unmöglich.
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Ein wesentlicher Nutzen des Einsatzes der erfindungsgemäßen Impulsentkopplung und von Zusatzachsen in der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Regelbarkeit einer hoch beschleunigt angetriebenen komplexen mechanischen Konfiguration, in der für hohe Präzision notwendigen Weise, zu ermöglichen, da der Unterschied zwischen Soll- und Istwert, resultierend aus der durch Vorsteuerung erzeugten Bewegung, durch präzise, hochbeschleunigte Bewegungen des Endeffektors wesentlich reduziert werden kann.
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Da zugleich auch die Anregungen aus der Mechanik geringer sind, insbesondere beim erfindungsgemäßen Einsatz der Impulsentkopplung, ergibt sich ein wesentlich besser vorhersehbareres Systemverhalten, was wiederum langsam wirkende Regelkreise, beispielsweise zur allmählichen Optimierung von Ansteuerungsparametern der Vorsteuerung, besser wirksam werden lässt.
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Angetrieben werden die Basisachsen gewöhnlich durch elektrische Lineardirektantriebe, Kugelgewindespindel-, Hohlwellen- oder Zahnritzelantrieben.
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Je nach anwendungsspezifischen Anforderungen, benötigtem Bewegungsspielraum der Gesamtmaschine und zu bewegenden Massen können auch andere elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch wirksame Antriebe erfindungsgemäß genutzt werden. Für Zusatzachsen, bzw. Antriebe die Teil einer impulsentkoppelten Achskonfiguration sind, sollten vorzugsweise lineare Direktantriebe zur Anwendung kommen.
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Erfindungsgemäß kann auch eine Werkzeugmaschine modifiziert oder betrieben werden, die grundsätzlich für andere Betriebsarten konzipiert oder konfiguriert ist, jedoch mindestens über einen erfindungsgemäß längenveränderbaren Ausleger verfügt, der eine Zusatzachseneinheit trägt und erfindungsgemäß auszurichten und betreibbar ist.
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Beispielsweise kann eine Werkzeugmaschine entsprechend des vorbekannten Dokumentes
DE 10 2011 119 211 A1 , die abweichend vom dort offenbarten Betrieb, soweit eine translatorische Bewegung der Lagerung des Auslegers möglich ist, auch gemäß der hier vorliegenden Erfindung betrieben werden, indem in einer entsprechenden Betriebsart, als erste Basisachse nicht die Rotation des Auslegers, sondern die translatorische Bewegung des Auslegers entlang der Arbeitsbereiche dient, wobei der schwenkbare Ausleger, während des Betriebs gemäß der hier vorliegenden Erfindung, vorzugsweise fest und orthogonal zur Bewegungsrichtung entlang besagter Arbeitsbereiche ausgerichtet ist. Vorteilhaft ist dabei insbesondere die Möglichkeit eine kontinuierliche Bearbeitung innerhalb eines längeren Arbeitsbereiches ausführen zu können, als mittels der Schwenkachse.
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Eine erfindungsgemäße Mess- oder Werkzeugmaschine oder ein erfindungsgemäßes Betriebsverfahren kann beispielsweise für den Schiff- oder Flugzeugbau zur Bearbeitung größter Bauteile in höchster Detailkomplexität vorteilhaft konzipiert werden, oder für häufiger auftretende Dimensionen, beispielsweise in der Größe von Karosserien, Waschmaschinen oder kleineren Gebrauchsgegenständen, bis in Dimensionen von wenigen Zentimetern.
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Bearbeitungsmethoden für die sich eine erfindungsgemäße Maschine eignet, sind unter anderem das Schneiden mit Laser oder Wasserstrahl, das Schweißen, Fräsen, Gravieren, Markieren, Aufbringen von komplexen Konturen und Strukturen auf Materialien, wie Blech, Kunststoff, Glas, Keramik, Holz und Textilien.
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Ebenso ist das Rapid Prototyping eine geeignete Anwendung, insbesondere Verfahren in denen Schichten zugeschnitten, Material kleinräumig aufgetragen wird oder aus sonstigen Gründen mit einem möglichst senkrecht zum Material ausgerichteten Energiestrahl gearbeitet werden muss.
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Ferner sind das präzises Bearbeiten kleinster Strukturen oder das präzise Auf- und Abtragen feinster Details mit hoher Geschwindigkeit genauso mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung, wie auch das Messen und Kontrollieren in den genannten Bereichen, wobei diese nur als Beispiele zu verstehen sind und keine in irgend einer Weise abschließende Aufzählung von Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung darstellen sollen.
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Abschließend soll die Erfindung nochmals an einem illustrierten Beispiel erläutert werden.
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1 zeigt die Totalansicht einer erfindungsgemäß gestalteten Laserschneidmaschine, bestehend aus drei separaten Arbeitsbereichen (1), (2) und (3), einer Steuerung (5), und einem entlang der Arbeitsbereiche (1, 2, 3) fahrbaren und in der Höhe bewegbaren Ausleger (12, 15), sowie einer zur Bewegung des Auslegers redundant wirksamen Zusatzachseneinheit (20), die entlang besagtem Ausleger (12, 15), translatorisch verschiebbar ist.
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Das vorliegende Beispiel sieht als Endeffektor (30) einen Laserschneidkopf mit einer hochdynamisch um wenige Zentimeter in der Höhenlage verstellbaren Schneiddüse vor.
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Erfindungsgemäß besteht besagter Ausleger aus zwei in Längstrichtung des Auslegers zueinander verschiebbaren Elementen, derart dass ein äußeres Element (12) mit der Führung des Auslegers fest verbunden ist und an dem inneren Element (15), in gleicher Richtung, besagte Zusatzachseneinheit (20) translatorisch bewegbar ist.
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Neben dem hierdurch erzielten Effekt, dass die Länge des Auslegers (12, 15), je nach Anwendung und technischer Erfordernisse, an den Bedarf angepasst werden kann, und sich somit der Platzbedarf der Gesamtkonfiguration entsprechend reduziert, wird gemäß der vorliegenden Erfindung das letzte Element (15) des Auslegers während Beschleunigungsphasen der Zusatzachseinheit (20) in Richtung des Auslegers, als Ausgleichsmasse zur Impulsentkopplung genutzt.
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Hierdurch ist eine gegenüber dem Auslegerelement (12) und seiner Lagerung und Führung eine praktisch rückwirkungsfreie und hohe Beschleunigung der Zusatzachseneinheit (20) möglich, so dass innerhalb der Zusatzachseneinheit (20) auf eine spezielle hochbeschleunigte Bewegungsmöglichkeit des Endeffektors (30), in Richtung des Auslegers (12, 15) verzichtet werden kann.
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Innerhalb der Zusatzachseneinheit (20) ist in dieser Ausführungsvariante daher nur eine Bewegungsmöglichkeit des Endeffektors (30) quer zur Richtung des Auslegers (12, 15) vorgesehen, wobei der Bewegungsspielraum der Zusatzachse mit 50 cm so ausgelegt ist, dass eine effektive Beschleunigung von etwa 2 m/s2 durch translatorische Bewegung des Auslegers ausreicht, um bei Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 60 m/min in nahezu jeder Betriebssituation die Beschleunigung der Zusatzachse von bis zu 100 m/s2 kontinuierlich in beliebig komplexen abzufahrenden Konturen nutzen zu können.
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Dabei ist der Aufbau der Zusatzachseneinheit verhältnismäßig unkompliziert:
Der Endeffektor (30) wird, entlang der dem Betrachter abgewandten Rückseite der Zusatzachseneinheit (20), an einer Linearführung mittels eines passend ausgelegten Lineardirektantriebs bewegt. Das trapezförmig sich nach vorn, in den Stauraum des Faltenbalges hinein verjüngende, Gehäuse der Zusatzachseneinheit (20) stellt den Bewegungsspielraum für eine am vorderen Ende des Gehäuses drehbar gelagerte Spiegelhalterung und/oder Führung her, durch und an der sowohl ein Laserstrahl mittels Spiegeln und alle notwendigen Zuleitungen, robust, präzise und zugleich materialschonend zum Endeffektor (30) geführt werden können. Ein durch Spiegel umzulenkender Laserstrahl wird dabei durch einen längenveränderlichen Tubus übertragen, der die besagte drehbar gelagerte Spiegelhalterung und eine dieser gegenüberstehenden drehbaren Spiegelhalterung im Endeffektor (30) verbindet. Besagte Zuleitungen werden mit ausreichend Spiel verlegt und vorzugsweise passenden Federelement vorgespannt und mit Gleitelementen innerhalb ihres Bewegungsraumes so umgeben, dass definierte Bewegungsabläufe und Kraftwirkungen eingehalten werden.
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Bei derartigen räumlichen Gegebenheiten ist ein alternativer mechanischer Aufbau möglich, bei dem der Endeffektor (30) an einer bogenförmigen Führung entlang bewegt wird, so dass der Abstand zur besagten drehbar gelagerte Spiegelhalterung und Führung immer konstant bleibt, was zwar einen aufwendigeren Antrieb und Führung, sowie eine etwas kompliziertere Achskoordination in der Steuerung voraussetzt, aber nochmals verbesserte Robustheit, Präzision und Materialschonung innerhalb der Zusatzachseneinheit (20) bedeuten kann.
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Die Zusatzachseneinheit (20) kann weiterhin einen (nicht dargestellten) Impulsausgleich enthalten, der zumindest die Spitzen(reaktions)kräfte aus der Beschleunigung des Endeffektors (30), quer zum Ausleger (12, 15), von diesem wirksam fern hält.
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Die Flexibilität des teleskopischen Auslegers wurde hier genutzt, um die Führung in und für die Zusatzachseneinheit (20) entlang des Auslegerelementes (15) derart zu verlängern, dass viel Raum für einen besonders leistungsfähigen Lineardirektantrieb (nicht dargestellt) und eine entsprechend stabile Führung vorhanden ist, so dass längs des Auslegers (12, 15) eine entsprechend hohe Beschleunigung der gesamten Zusatzachseneinheit (20) möglich ist.
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Damit die hierbei auftretenden Reaktionskräfte, die eine Größenordnung höher liegen als jene aus dem Antrieb des Endeffektors (
30), innerhalb der Zusatzachseneinheit (
20) keine schädliche Wirkung auf die dynamische Genauigkeit und Langlebigkeit der Gesamtmaschine ausüben, stützt sich hierbei der besagte besonders leistungsfähige Lineardirektantrieb auf das Teilelement (
15) des Auslegers (
12,
15) ab, das sich somit, überwiegend entsprechend seiner Massenträgheit, entlang des Auslegerelementes (
12) bewegt, ohne dass schädliche Anregungen vom Auslegerelement (
12) aufgenommen und/oder an andere Maschinenteile weiter geleitet werden, womit eine erfindungsgemäße Impulsentkopplung hergestellt ist, Der Antrieb (
16) des Auslegerelements (
15) entlang dem Auslegerelement (
12) kann entsprechend relativ schwach ausgelegt sein, wobei vorzugsweise die technische Lehre aus dem Dokument
WO 2011/023186 A2 , bezüglich der Auslegung derartiger Antriebe entsprechend zu beachten ist, um eine einwandfreie Impulsentkopplung und Überlagerung der Bewegungsanteile von Zusatzachseneinheit (
20) und Auslegerelement (
15), entlang dem Auslegerelement (
12), zu gewährleisten.
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Um eine möglichst hohe Stabilität des beweglichen Auslegerelements (15) zu erzielen, wird dies am Auslegerelement (12) an drei möglichst weit voneinander beabstandeten Stellen geführt und ist daher innerhalb des Auslegergehäuses gabelförmig geteilt, so das es rechts und links am äußersten Gehäuserand, parallel zu der deshalb dort ebenfalls angebrachten Statorreihe des schon erwähnten Antriebs (16) geführt wird.
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Der Antrieb (16) kann, auch wegen seiner geringen dynamischen Beanspruchung, durchaus einseitig angeordnet werden, aber ein doppelseitiger Antrieb (16) kann Vorteile bieten, beispielsweise bezüglich der Verminderung eines indirekten Umkehrspiels, durch Hebelwirkung in der dritten (vorderen) Führung bei Seitwärtsbewegungen des Auslegers. Diese dritte Führung des bewegbaren Auslegerelementes (15) ist unter dem im Bild aufgerissenen Faltenbalg, an der vorderen Spitze des Auslegerelementes (12) erkennbar.
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Da das Gehäuse des Auslegerelementes (12) derart auch bei höchsten Bearbeitungsgeschwindigkeiten weitgehend frei von scharfen Beschleunigungs- und Ruckspitzen bewegt werden kann, ist es auch durchaus möglich empfindliche Teile einer Bearbeitungsvorrichtung in besagtem Gehäuse zu integrieren.
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In dem hier dargestellten Beispiel einer Laserschneidmaschine könnte dies ein Lasergenerator mitsamt notwendigen Kühlelementen sein, der vorzugsweise im hinteren Teil des besagten Gehäuses installiert sein sollte.
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Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die optischen Wege vom Auskoppelelement der Laserquelle bis hin zur Bearbeitungsstelle kurz und optisch stabil gehalten werden können, was der Genauigkeit und Langzeitstabilität zugute kommt.
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Darüber hinaus ist es somit möglich, sämtliche in ihrer Lage zueinander besonders empfindlichen Komponenten einer Laserschneidmaschine in einem kompakten und leicht transportablen Gehäuse unterbringen zu können, was sowohl die Vormontage als auch den Aufbau von entsprechenden Maschinen am Einsatzort sehr vereinfacht und verbilligt.
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Entsprechend stabile Ausführung der Lagerung des Maschinenständers vorausgesetzt, kann das Auslegerelement (12) auch genutzt werden, um vorzugsweise den Transfer von Rohmaterial zwischen verschiedenen Arbeitsbereichen auszuführen.
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So ist in 1, auf dem Arbeitsbereich (2) ein Hebezeug (40) dargestellt, dessen Verbindungsdorne (41) und (42) pneumatische und elektrische Kopplungselemente enthalten, deren passendes Gegenstück sich jeweils im vorderen Teil der Unterseite des Auslegerelementes (12) befinden.
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Vor dem Verbinden wird im dargestellten Beispiel der mittels der erfindungsgemäßen Bewegungsmöglich des Auslegers zuvor auf Maximalhöhe angehobene Ausleger (12, 15) mit der in die innere Position bewegten Zusatzachseneinheit (20) entlang der Arbeitsbereiche passend positioniert.
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Dann wird der Ausleger (12, 15) soweit abgesenkt, bis eine sichere Verbindung der Verbindungsdorne (41, 42) und besagter Kopplungselemente in den dafür vorgesehenen Öffnungen auf der Unterseite des Auslegerelementes (12) erreicht ist. Wenn dies sicher gestellt ist, wird die Verbindung, vorzugsweise elektrisch oder pneumatisch angetrieben, mechanisch verriegelt.
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Sodann können die Funktionen des Hebezeugs (40) entsprechend genutzt werden.
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Die Position der Verbindungselemente wäre im dargestellten Beispiel vorzugsweise in jedem Arbeitsbereich (1, 2, 3) identisch und ergibt sich gewöhnlich ganz zwanglos, indem die Maschine das Hebezeug immer wieder dort aufnimmt, wo es zuletzt abgestellt wurde.
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Selbstverständlich sind zahlreiche Methoden bekannt und denkbar einen solchen Vorgang möglichst flexibel und automatisierungssicher und auch völlig anders, als hier beispielhaft dargestellt, zu gestalten, was aber nicht Gegenstand dieser Beschreibung sein soll.
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In der hier dargestellten Weise kann eine einzelne Person schon ohne jede weitere Automatisierungskomponente ein erhebliches Bearbeitungsvolumen bewältigen, wenn man davon ausgeht, dass auf den in diesem Beispiel zum Schneiden eingerichteten Arbeitsbereichen (1) und (3) die jeweils ausgeschnittenen Teile und Reste ohne große Anstrengung manuell zu entnehmen sind.
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Wiederum können die Möglichkeiten zur Automatisierung durch bekannte Einrichtungen und Verfahren erweitert werden, was aber ebenso nicht Gegenstand dieser Beschreibung ist.
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Auch nicht Gegenstand dieser Beschreibung ist es, darzustellen welche Steuerungen und Sicherheitsmaßnahmen zum praktischen Betrieb einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung vorzusehen wären und wie diese auszuführen sind, beispielsweise um den Bewegungsbereich einer erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtung auf den Arbeitsbereichen (1, 2, 3), je nach ablaufender Bearbeitung, sicher zu begrenzen. Hierzu kann auf einen umfangreichen Stand der Technik zurückgegriffen werden.
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Es ist dem Fachmann auch leicht ersichtlich, dass eine Vielzahl weiterer Konfigurationen aus beliebig zu gestaltenden und nutzbaren Arbeitsbereichen und erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtungen denkbar sind, wie beispielsweise mit mehreren unabhängig voneinander bewegbaren erfindungsgemäßen Bewegungseinrichtungen oder auch durch eine Führung von besagten Bewegungseinrichtungen in anderen Höhen, also beispielsweise oberhalb der besagten Arbeitsbereiche mit hängend montierten Auslegern, die in keiner Beschreibung abschließend darstellbar wären.
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Die vorliegende Erfindung schafft somit, durch und neben den geschilderten Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik, noch viele weitere Möglichkeiten, Bearbeitungsprozesse, insbesondere an relativ großformatigen Flachmaterialien besonders effizient zu gestalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 594699 B1 [0014]
- EP 1294544 B1 [0016]
- EP 1724054 B1 [0016, 0016]
- WO 2011/023185 A1 [0017]
- WO 2011/023186 A1 [0017]
- DE 102011119211 A1 [0018, 0050]
- WO 2011/023186 A2 [0024, 0028, 0066]
- WO 2008/148558 A1 [0031]
- WO 2008/151810 A1 [0031]
- WO 2009/000466 A2 [0031]
- WO 2009/027006 A1 [0031]
